Устройство для измерения перемещений

 

Использование: измерительная техника для измерения линейных перемещений. Сущность изобретения: устройство для измерения перемещений включает лазер 1 с изотропным резонатором, оптически связанные с лазером 1 отражатель 4, предназначенный для крепления на объекте, и четвертьволновую пластину 2, установленную между лазером 1 и отражателем 4, два фотоприемника 6 и 7, соединенные с блоком 8 обработки и оптически связанные с лазером 1 через светоделитель 5, и три поляроида 3, 9, 10. Поляроид установлен между отражателем 4 и четвертьволновой пластиной 2 и ориентирован своей осью пропускания под углом 45^o к осям четвертьволновой пластины 2, а поляроиды 9 и 10 установлены перед фотоприемниками 6 и 7 и ориентированы осями пропускания под углом 45^o друг к другу. Устройство снабжено соленоидом 11 и преобразователем 12 частоты в ток, при этом лазер 1 размещен продольно в соленоиде 11, подключенном через преобразователь 12 частоты в ток к блоку 8 обработки. Это обеспечивает подвижность зоны синхронизации фаз циркулярно поляризованных мод через внешний отражатель за счет автоматического внесения вспомогательного расщепления их частот, пропорционального скорости перемещения отражателя, и тем самым расширяя диапазон скоростей отражателя, в котором сохраняется закон пропорциональности между углом поворота плоскости поляризации суммарного излучения лазера и перемещением отражателя, при этом повышается быстродействие. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений.

Известно устройство для измерения перемещений (интерферометр "постоянного тока"), содержащий лазер, оптически связанные светоделитель, неподвижный и подвижный уголковые отражатели, две пластины λ/4, установленные перед отражателями, два поляроида, установленные перед фотоприемниками, и блок обработки, подключенный к фотоприемникам [1] Известное устройство работает следующим образом.

Светоделитель делит излучение лазера на два пучка. Один пучок поступает на неподвижный уголковый отражатель, образуя опорное плечо интерферометра, второй пучок на подвижный уголковый отражатель, образуя измерительное плечо. После отражения пучки объединяются в светоделителе, образуя два интерферирующих пучка, которые регистрируются фотоприемниками. Излучение лазера линейно поляризовано. В опорном и измерительном плечах перед уголковыми отражателями установлены пластины λ/4, главные оси которых развернуты относительно направления поляризации на угол 45^о. Перед фотоприемниками установлены поляроиды, оси пропускания которых ориентированы под углом 45^о друг к другу. В результате на фотоприемниках интерференционные синусоидальные сигналы сдвинуты по фазе на 90^о. В блоке обработки сигналы с фотоприемников преобразуются в импульсные последовательности. Наличие двух сдвинутых по фазе сигналов позволяет обеспечить реверсивный (с учетом направления движения) счет импульсов.

Характерной особенностью известного устройства, как и любого интерферометра "постоянного тока", является его высокая чувствительность к колебаниям интерференционного фона, которые могут быть вызваны нестабильностью мощности лазера, расходимостью пучка излучения, турбулентностями среды, в которой распространяется излучение, частичной разъюстировкой оптических деталей интерферометров. Во многих случаях (в цеховых и особенно в полевых условиях) известное устройство оказывается неработоспособным. Повышение надежности и помехоустойчивости известного устройства возможно за счет ужесточения требований к конструкции интерферометра: жесткое крепление всех деталей, термостабилизация, виброизоляция. Но это приводит к существенному усложнению устройства.

Известно устройство для измерения отклонений от прямолинейности и плоскостности [2] которое по совокупности существенных признаков наиболее близко предлагаемому устройству и принято за прототип. Это устройство содержит лазер с изотропным резонатором, соленоид, расположенный вокруг активной зоны лазера, два фотоприемника, соединенные с блоком обработки и оптически связанные с лазером через светоделитель, два поляроида, установленные перед фотоприемниками, оптически активный элемент, предназначенный для крепления на объекте и выполненный в виде двух клиньев из право- и левовращающего поляризационных материалов, при этом оптически активный элемент размещен по ходу излучения лазера между светоделителем и вторым поляроидом. Устройство содержит также блок питания для поддержания тока в соленоиде.

Известное устройство для измерения отклонений от прямолинейности и плоскостности работает следующим образом.

В лазере возбуждается генерация вынужденного излучения. Поскольку резонатор лазера изотропен и находится в магнитном поле соленоида, то его излучение представляет собой сумму двух излучений, циркулярно поляризованных по правому и левому кругу σ⁺ и σ ^- и имеющих различные частоты. В результате интерференционного сложения эти излучения в сумме образуют линейно поляризованное излучение, направление поляризации которого равномерно вращается в зависимости от времени с разностной частотой σ⁺ и σ^- излучений. В измерительном плече это суммарное излучение, проходя оптически активный элемент, приобретает дополнительный поворот плоскости поляризации, пропорциональный поперечному перемещению этого элемента относительно оси распространения излучения. Первый и второй поляроиды преобразуют вращение плоскости поляризации суммарного излучения во времени в изменения интенсивности излучения на фотоприемниках. Так как оптически активный элемент вносит дополнительный поворот плоскости поляризации, то на фотоприемники поступают синусоидальные сигналы, сдвиг фаз которых относительно друг друга пропорционален перемещению оптически активного элемента. Этот сдвиг фаз выделяется в блоке обработки (фазометре).

В известном устройстве поворот плоскости поляризации суммарного излучения лазера при перемещении оптически активного элемента обусловлен преобразованием разности толщин право- и левовращающих клиньев в разность углов поворота плоскости поляризации излучения при последовательном прохождении этих клиньев. Однако эти углы поворота малы, так как они пропорциональны весьма малой константе естественного вращения плоскости поляризации, которая у известных прозрачных материалов определяет величину эффектов этого вращения. А именно, у кристаллического кварца, например, при толщине его слоя 1 мм угол вращения составляет величину порядка π/2 и, таким образом, по своей чувствительности известное устройство примерно на 3 порядка уступает лазерным интерферометрам. При этом в той же пропорции падает точность измерений, поскольку возрастает вклад мешающих факторов, в первую очередь температуры оптически активного элемента и погрешности радиотехнических измерений разности фаз двух сигналов. В то же время непосредственная замена известного устройства [2] обычным лазерным интерферометром не всегда возможна, в силу перечисленных выше недостатков лазерного интерферометра.

Таким образом, недостатком известного устройства является низкая точность измерений.

Задача изобретения повышение точности измерений.

Это достигается тем, что устройство для измерения перемещений, содержащее лазер с изотропным резонатором, соленоид, расположенный вокруг активной зоны лазера, два фотоприемника, соединенные с блоком обработки и оптически связанные с лазером через светоделитель, и два поляроида, установленные перед фотоприемниками, снабжено оптически связанными с лазером отражателем, предназначенным для крепления на объекте, четвертьволновой пластиной, установленной между лазером и отражателем, третьим поляроидом, установленным в измерительном плече между четвертьволновой пластиной и отражателем таким образом, что его ось пропускания ориентирована под углом 45^о к основной и неосновной осям четвертьволновой пластины, и преобразователем частоты в ток, при этом первый и второй поляроиды ориентированы осями пропускания под углом 45^одруг к другу, а соленоид подключен через преобразователь частоты в ток к блоку обработки.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить подвижность зоны синхронизации фаз циркулярно поляризованных мод излучения лазера через внешний отражатель за счет автоматического внесения вспомогательного расщепления их частот, пропорционального скорости перемещения отражателя, и тем самым, расширяя диапазон скоростей отражателя, в котором сохраняется закон пропорциональности между углом поворота плоскости поляризации суммарного излучения лазера и перемещением отражателя, повысить точность.

На чертеже приведена схема устройства для измерения перемещений.

Предлагаемое устройство состоит из лазера 1, резонатор которого выполнен изотропным, измерительного плеча и канала регистрации. Измерительное плечо образовано последовательно установленными на одном из выходов лазера 1 четвертьволновой пластиной 2, поляроидом 3 и подвижным отражателем 4. При этом ось пропускания поляроида 3 ориентирована под углом 45^о к осям λ/4 пластины 2. На втором выходе лазера 1 установлен канал регистрации, образованный светоделителем 5, двумя фотоприемниками 6 и 7, оптически связанными с лазером 1 через светоделитель 5, двумя поляроидами 9 и 10, установленными перед фотоприемниками 6 и 7. При этом оси пропускания поляроидов 9 и 10 ориентированы под углом 45^о друг к другу.

Предлагаемое устройство также содержит соленоид 11 и преобразователь 12 частоты в ток. Лазер 1 размещен продольно в соленоиде 11, подключенном через преобразователь 12 частоты в ток к блоку 8 обработки.

Устройство для измерения перемещений работает следующим образом.

В лазере 1 возбуждается генерация вынужденного излучения. Поскольку резонатор лазера изотропен, то его излучение представляет собой сумму двух излучений одинаковой частоты, циркулярно поляризованных по правому и левому кругу σ⁺ и σ^-. В измерительном плече эти излучения, проходя четвертьволновую пластину 2, преобразуются в излучения со скрещенными линейными поляризациями. Поляроид 3 составляет из них излучение только одной поляризации. Это линейно поляризованное излучение поступает на подвижный отражатель 4, отражается от него и четвертьволновой пластиной 2 преобразуется опять в излучение с круговой, но противоположно ориентированной поляризацией. Излучение циркулярной моды σ⁺, прошедшее измерительное плечо и приобретшее другую поляризацию, складывается с излучением другой циркулярной моды σ-, генерируемым в лазере, и синхронизирует его к себе по фазе. Таким образом, фаза одной из генерируемых циркулярных мод определяется фазой излучения, возвращаемого в лазер после обхода измерительного плеча. В свою очередь, набег фазы излучения, проходящего измерительное плечо, определяется расстоянием до подвижного отражателя. Результаты сложения двух генерируемых излучений с циркулярными поляризациями σ⁺ и σ^- является излучение с линейной поляризацией, азимут которой однозначно определяется разностью фаз между σ⁺ и σ излучением. Следовательно, перемещение подвижного отражателя вызывает поворот азимута поляризации суммарного излучения лазера (при перемещении отражателя на длину, равную половине длины волны излучения, плоскость поляризации поворачивается на угол 360^о). Поляроиды 9, 10 преобразуют вращение плоскости поляризации в изменения интенсивности излучения на фотоприемниках 6 и 7. Так как оси пропускания поляроидов 9 и 10 ориентированы под углом 45^о друг к другу, то на фотоприемники 6 и 7 поступают сигналы, сдвинутые по фазе на 90^о. При этом точность измерения перемещения возрастает примерно на 3 порядка по сравнению с прототипом, поскольку сдвиг фазы на 360^о достигается перемещением объекта на величину менее длины волны, а не (1-5) мм, как в прототипе.

При движении отражателя 4 в направлении от лазера 1 в блоке 8 обработки образуются счетные импульсы в канале суммирования перемещения, а при движении к лазеру 1 образуются импульсы в канале вычитания перемещения. Счетные импульсы поступают в преобразователь 12 частоты в ток, причем импульсы из канала суммирования преобразуются в положительный ток, а импульсы из канала вычитания в отрицательный ток. Этот ток, протекая через соленоид 11, создает в лазере 1 продольное магнитное поле, вызывающее расщепление и сдвиг частот σ⁺ и σ мод во взаимно противоположные стороны. Выбранное направление магнитного поля и установленный коэффициент преобразования частоты в ток обеспечивают внесение вспомогательного расщепления частот, приблизительно равного связанному с движением отражателя 4 доплеровскому сдвигу частоты возвращаемого в лазер излучения σ⁺ моды. В результате этого частота σ^-моды приближенно совмещается со смещенной вследствие эффекта Доплера частотой отраженного излучения σ⁺ моды. Поскольку скорректированная разность частот меньше ширины зоны захвата, то наступает и сохраняется точная частотная и фазовая синхронизация σ^- моды к возвращаемой в лазер световой волне, и, следовательно, в широком диапазоне скоростей отражателя 4 сохраняется точный закон пропорциональности между углом поворота плоскости поляризации суммарного излучения лазера 1 и перемещением объекта. Иными словами, имеет место автоматический сдвиг зоны захвата в соответствии с величиной и знаком доплеровского сдвига частоты отраженной волны.

В лазере 1 с изотропным резонатором реально может создаваться с помощью соленоида 11 расщепление частот до 2 МГц. Доплеровский сдвиг такой величины соответствует скорости перемещения отражателя 4, равной 2,5 м/с и вполне достаточной для нормального применения предлагаемого устройства в измерительных системах. При ширине зоны захвата ± 100 кГц предотвращение выхода мод из захвата достигается при погрешности установи расщепления частот мод ± 50 кГц, для чего во всем диапазоне регулировки токов соленоида 11 нелинейность характеристики преобразования частоты в ток и погрешность установки абсолютного значения коэффициента преобразования не должны превышать (50 кГц/2 МГц) 2,5% Современная схемотехника позволяет без существенных трудностей обеспечить выполнение этого условия.

Достигаемая скорость перемещения отражателя 4 порядка 2,5 м/с в 20 раз превышает соответствующее значение для случая выполнения предлагаемого устройства без преобразователя 12 частоты в ток и в 2 раза превышает показатели быстродействия лазерных интерферометров. В то же время предлагаемое техническое решение так же, как и прототип, отличается от лазерных интерферометров большей надежностью ввиду более простой оптической схемы, не содержащей опорного плеча и обеспечивающих его реализацию оптических элементов.

Для осуществления предлагаемого устройства может быть применена следующая элементная база. В качестве лазера 1 может быть использован серийно выпускаемый лазер ЛГН-303. Четвертьволновая пластина 2, светоделитель 5, поляроиды 3, 9, 10, фотоприемники 6, 7 относятся к изделиям массового выпуска. В качестве отражателя 4 может быть использован уголковый отражатель, зеркало или короткофокусный объектив на сервомеханизме, которые относятся к изделиям массового выпуска. Блок 8 обработки может быть заимствован из любого интерферометра "постоянного тока" или изготовлен по традиционным схемам. Преобразователь 12 частоты в ток осуществляется на микросхемах серий К155, К555, К1530, К140, К157 и транзисторах П214-П217 или аналогичных.

Таким образом, предлагаемое техническое решение легко воспроизводимо на традиционной элементной базе, т.е. промышленно применимо.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее лазер с изотропным резонатором, соленоид, расположенный вокруг активной зоны лазера, установленные на одном из выходов лазера светоделитель, предназначенный для разделения излучения лазера на два световых потока, два фотоприемника, каждый из которых установлен в соответствующем световом потоке, и два поляроида, установленные перед соответствующим фотоприемником, блок обработки, входы которого соединены с фотоприемниками, и фазовую пластину, отличающееся тем, что оно снабжено установленными последовательно на другом выходе лазера и оптически связанными третьим поляроидом и отражателем, связываемым с объектом, и преобразователем частоты в ток, включенным между блоком обработки и соленоидом, фазовая пластина выполнена четвертьволновой и расположена между лазером и третьим поляроидом, который установлен так, что его ось пропускания ориентирована под углом 45^o к основной и неосновной осям четвертьволновой пластины, а первый и второй поляроиды ориентированы осями пропускания под углом 45^o один к другому.

РИСУНКИ

Рисунок 1